一种无需同步电流采集传输和频域测量SIP数据采集和处理方法技术

本发明专利技术一种无需同步电流采集传输和频域测量SIP数据采集和处理方法，其特点是利用绝对相位计算方法事先计算发射机所能发射的所有频率电流的初始相位和振幅归一化系数，在初始相位和振幅归一化系数的基础之上生成初始相位表文件；即生成发射频率表与初始相位表；其某一频率的激励电流在任意时刻的相位值，则利用其起始发射时间和该频率电压数据的采集时间，按照相对相位计算方法获得；再根据长度自动约束全相位频谱分析获得的电压振幅和相位，即能够得到该频点处的复电阻率。本发明专利技术以摆脱系统对高性能的同步电流采集和实时传输设备或者高精度的频域观测装置的依赖性，提高了SIP法的灵活性，实现在GPS信号微弱等复杂环境下顺利开展SIP法观测。

【技术实现步骤摘要】
一种无需同步电流采集传输和频域测量SIP数据采集和处理方法
本专利技术属于地球物理电磁探测领域，具体涉及一种无需同步电流采集传输和频域测量频率域激发极化法(SIP法)数据采集和处理方法。
技术介绍
频率域激发极化法(SIP法)是激发极化法的一个重要分支，观测目标是测区的复电阻率。该方法能够对测区地下介质的电性结构进行更加详尽的描述，是一种重要的详查手段。SIP法即可以在时间域又能够在频率域实现高密度观测，与其他地球物理勘探手段相比，SIP法具有多参数测量和综合信息输出的优势。目前，现有的SIP数据采集方式和相应的观测系统主要分为两种：(1)直接采集电压信号和电流信号的振幅和相位，然后利用这些频率域参数计算测区复电阻率；(2)同步采集电压信号和电流信号的时域数据，然后进行离散傅里叶变换(DFT)，并利用变换的频率域参数结果求测区复电阻率。第一种方法需要实现高精度的频率域测量，观测系统主要由大功率发射机、高精度频域测量接收机、电极等装置构成。其中接收机由虚分量通道、实分量通道、相关检测单元等关键模块构成。而现有的相位测量方法对发射机和接收机的要求都很高。首先要求激励电流波形失真要尽量小，且零点要较为稳定，同时接收机也要具备很高的零点稳定性。但是，野外观测的电磁信号一般都较为微弱，相位测量精度难以得到保证。另外，幅度测量虽然相对相位测量要容易一些，但是当环境噪声较大时，要完成高精度振幅测量则需加大供电电流来提高信噪比。总的来说，频率域数据采集方法要求观测系统具有相当高的精度和稳定度，因而会提高观测成本，不利于开展野外工作。而第二种观测方法系统组成包括大功率发射机、接收机、电流检测装置、同步电流传输装置、电极以及配套电缆等相关外围设备。该系统对仪器硬件要求较高，尤其是系统的同步性、实时性以及辅助装置的抗噪声能力等。
技术实现思路
本专利技术目的旨在简化传统SIP观测系统，提高SIP法的灵活性和应用范围，提出了一种新的SIP数据采集和处理算法。以摆脱系统对高性能的同步电流采集和实时传输设备或者高精度的频域观测装置的依赖性，降低观测成本；提高了SIP法的灵活性，实现在GPS信号微弱等复杂环境下顺利开展SIP法观测。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种无需同步电流采集传输和频域测量SIP数据采集和处理方法，其特征在于：包括初始相位表生成、相对相位计算和绝对相位计算，所述相对相位计算是与电流传输时间相关的相位移动，所述绝对相位计算是电流信号的初始相位；首先，利用绝对相位计算方法事先计算发射机所能发射的所有频率电流的初始相位和振幅归一化系数，在初始相位和振幅归一化系数的基础之上生成初始相位表文件；即生成发射频率表与初始相位表；其次，某一频率的激励电流在任意时刻的相位值，则利用其起始发射时间和该频率电压数据的采集时间，按照相对相位计算方法获得；最后，再根据长度自动约束全相位频谱分析获得的电压振幅和相位，即能够得到该频点处的复电阻率；所述的长度自动约束全相位频谱分析由长度自动约束全相位矩阵变换、自卷积加窗和傅里叶变换三部分组成。所述的绝对相位计算方法为：由原始数据构成全相位矩阵，同时由激励信号频率fin和对应的采样率fs加数据长度约束N至N点自卷积窗，N点自卷积窗与全相位矩阵再经加窗傅里叶变换，求得信号绝对相位；所述的数据长度约束是对全相位变换的长度N进行约束使其满足整周期截断。因为SIP法的激励信号多为一系列频率不同的方波，所以N应该由激励信号频率fin和对应的采样率fs来决定：其中，d1和d2均为整数。d1需满足令符号||||内的值为整数，参数d2要保证窗长大于预设的阈值σ，该阈值与采样率有关，如表1所示。表1不采样率下的窗长阈值令则d2根据下式计算：其中，ceil()表示向上取整。所述的根据长度自动约束全相位频谱分析获得的电压振幅和相位，计算步骤为：(1)根据频率信息对“初始相位表”进行查表，找到当前频率对应的电流初始相位和振幅归一化系数；(2)根据发射频率表提供的时间信息以及当前电压数据开始采集的时间，可以获得当前数据时间与该频率信号起始发射时间之间的时间偏移量Δt，另外，A/D采集过程中，由于硬件启动间隔会造成128个数据点丢失，所以在计算Δt时需考虑丢失数据点造成的时间偏差，该值与当前采样率fs有关，数据段任意时刻的Δt计算方法如下：其中，fin是当前频率；nskip是当前计算的数据段在电压数据块中的起始位置；tini(fin)是当前频率电流起始发射时间；tnow(fin)是当前电压信号开始采集时间；(3)利用长度自动约束全相位频谱分析计算电压的相位和振幅，且DFT长度N与同频率电流信号的全相位矩阵相同；(4)计算正在处理的电压信号同步的电流信号的相位，计算公式如下：(5)利用公式(8)和公式(9)计算该频点的复电阻率相位和振幅：其中和分别为当前电压和电流的相位值；其中，是电压振幅，是振幅归一化系数，I(fin)是当前电流强度；最后对计算结果进行校正获得实测复电阻率信息。所述的绝对相位解算是利用长度自动约束全相位频谱分析实现的。所述的发射频率表是一个“频率-时间表”，里面包含以下信息：信号类型、发射频率、电流强度以及发射持续时间等。所述的初始相位表是一个利用长度自动约束全相位频谱分析计算获得的“初始相位-振幅-频率表”，包含的信息为：信号频率、初始相位、振幅归一化系数以及长度约束值N。所述的相位和振幅解算方法是根据频率信息对“初始相位表”进行查表，找到当前频率对应的电流初始相位和振幅归一化系数，然后根据发射频率表提供的时间信息以及当前电压数据开始采集的时间，可以获得当前数据时间与该频率信号起始发射时间之间的时间偏移量Δt，利用该频点处的电压相位和该频率电流的起始相位、频率以及时间偏移量四者之间的关系计算出复电阻率在频点fin处的相位，振幅则可以利用归一化方法获得。本专利技术与现有技术相比具有实质性特点和显著性效果：本专利技术无需同步电流采集传输和频域测量装置，利用绝对相位计算方法和相对相位计算方法结合频率时间表来求电流的相位，而振幅则利用归一化手段获得。相位计算无需额外的校正手段即可获得高精度的相位计算结果，与传统DFT和加窗DFT相比具有精度高和算法简单的优势。其特点为:1.简化了传统SIP观测系统，摆脱了系统对高性能的同步电流采集和实时传输设备或者高精度的频域观测装置的依赖性，降低了观测成本；2.改进了传统复电阻率计算方法，采用长度自动约束全相位频谱分析提高了相位计算精度3.提高了SIP法的灵活性，在GPS信号微弱等复杂环境下也能够顺利开展SIP法观测。附图说明图1是绝对相位计算方法。图2是本专利技术的SIP法数据采集和处理流程。图3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无需同步电流采集传输和频域测量SIP数据采集和处理方法，其特征在于：包括初始相位表生成、相对相位计算和绝对相位计算，所述相对相位计算是与电流传输时间相关的相位移动，所述绝对相位计算是电流信号的初始相位；其所述的SIP数据采集和处理方法为：/n首先，利用绝对相位计算方法事先计算发射机所能发射的所有频率电流的初始相位和振幅归一化系数，在初始相位和振幅归一化系数的基础之上生成初始相位表文件；即生成发射频率表与初始相位表；/n其次，某一频率的激励电流在任意时刻的相位值，则利用其起始发射时间和该频率电压数据的采集时间，按照相对相位计算方法获得；/n最后，再根据长度自动约束全相位频谱分析获得的电压振幅和相位，即能够得到该频点处的复电阻率；/n所述的长度自动约束全相位频谱分析由全相位矩阵变换、长度自动约束自卷积加窗和傅里叶变换三部分组成。/n

【技术特征摘要】
20190122 CN 20191005997691.一种无需同步电流采集传输和频域测量SIP数据采集和处理方法，其特征在于：包括初始相位表生成、相对相位计算和绝对相位计算，所述相对相位计算是与电流传输时间相关的相位移动，所述绝对相位计算是电流信号的初始相位；其所述的SIP数据采集和处理方法为：
首先，利用绝对相位计算方法事先计算发射机所能发射的所有频率电流的初始相位和振幅归一化系数，在初始相位和振幅归一化系数的基础之上生成初始相位表文件；即生成发射频率表与初始相位表；
其次，某一频率的激励电流在任意时刻的相位值，则利用其起始发射时间和该频率电压数据的采集时间，按照相对相位计算方法获得；
最后，再根据长度自动约束全相位频谱分析获得的电压振幅和相位，即能够得到该频点处的复电阻率；
所述的长度自动约束全相位频谱分析由全相位矩阵变换、长度自动约束自卷积加窗和傅里叶变换三部分组成。


2.根据权利要求1所述的一种无需同步电流采集传输和频域测量SIP数据采集和处理方法，其特征在于：所述的绝对相位计算方法为：
原始数据构成全相位矩阵，同时由激励信号频率fin和对应的采样率fs加数据长度约束N获得N点自卷积窗，N点自卷积窗与全相位矩阵再经加窗傅里叶变换，求得信号绝对相位；
所述的数据长度约束是对全相位变换的自卷积窗长度N进行约束使其满足整周期截断；因为SIP法的激励信号多为一系列频率不同的方波，所以N应该由激励信号频率fin和对应的采样率fs来决定：



其中，d1和d2均为整数，d1需满足令符号||||内的值为整数，参数d2要保证窗长大于预设的阈值σ，该阈值与采样率有关，如表1所示；
表1不采样率下的窗长阈值



令则d2根据下式计算：



其中，ceil()表示向上取整。


3.根据权利要求1所述的一种无需同步电流采集传输和频域测量SIP数据采集和处理方法，其特征在于：所述的根据长度自动约束全相位频谱分析法获得的电压振幅...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛双超，曲畅，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14